刘卓敏

（晋能控股煤业集团同忻煤矿山西有限公司， 山西 大同 037000）

引言

地下长壁开采系统使用安装在摇臂上的采煤机滚筒将煤切割并装载到刮板输送机上。滚筒同时旋转并沿长壁工作面移动以采煤。煤块通过安装在滚筒周围的切割工具的剪切作用从煤层中分离出来，滚筒在切割过程中会受到振动。这种振动会对设备和部件造成严重损坏，导致机器停机时间和运行成本增加。因此，围绕滚筒圆周布置对于实现采煤机优化设计至关重要。切割刀具应围绕滚筒布置，以便工具在切割过程中承受几乎相等的力。如果刀具间隔太远，单个刀具会承受过大的压缩和振动应力，并且磨损严重。如果它们的间距过近，单个刀具的切割动作就不会得到优化，由于能量被用于研磨煤而不是粉碎煤，从而导致可吸入粉尘增加[1]。应注意选择操作参数，如滚筒转速和前进速度，以确保高效、无障碍和安全的工作环境。本文考虑到单个和多个跟踪装置开发了软件应用用于生成扭矩图，并用于估计因故障而丢失刀头对滚筒扭矩分布和力变化的影响。

1 采煤机滚筒组件简介

1.1 结构参数

采煤机滚筒由螺旋叶片、截齿、齿座、端盘以及筒毂等部分组成，如图1 所示。螺旋叶片如图2 所示，具体包括螺距、叶片头数量、包角及螺旋升角4 个主要参数。

图1 采煤机滚筒结构示意图

图2 中，D 为滚筒直径，mm；Sy为螺距，mm；By为叶片宽度，mm；Di为任意位置上的直径，mm；Dg为筒毂直径，mm；Dy为叶片外缘直径，mm；αi为任意位置叶片升角，（°）；αg为筒毂侧叶片升角，（°）；αy为叶片边缘升角，（°）。

图2 滚筒螺旋叶片

由于Dy＞Di＞Dg，所以叶片外缘的螺旋升角αy小于叶片内缘的螺旋升角αg，即αg＞αi＞αy。

1.2 系带图像简介

系带图是展开的滚筒圆周的平面图。系带模式图是在平坦的表面上生成的，显示了5 条等间距的垂直线，每条线代表30°角[2]。水平线代表刀具之间的间距值。刀具根据其角度和间距值放置在网格上。叶片刀具按切割时撞击材料表面的顺序放置在滚筒格栅上。由于输出是图形图像，输入数据中的任何明显错误都可以很容易地被识别和纠正。

为了确定作用在滚筒上的截割力，需要为每个滚筒设计评估关于材料特性和矿井地质模型的信息，而这是非常耗时和昂贵的，所以开发该程序是为了考虑相对扭矩值，以生成分布图。这使得应用时更多地关注滚筒的固有设计和平衡，而不是任何特定的操作条件。

滚筒的力变化定义为最大和最小相对扭矩值之间的差值，通过聚焦滚筒的10 个部分来计算，根据其在所考虑的部分中的位置给每个工具分配一个数字[3]。计算出的数据总和给出了特定部分的相对扭矩值。这些方差值绘制在滚筒上，以获得扭矩图。整个滚筒的力变化值是通过从所有截面获得的最大和最小变化值之间的差值来计算的。图3 为RHUT6699 型采煤机滚筒系带图，将齿点的信息导入至微软开发的Visual Basic 软件生成图4，以便下一步分析。图4 显示了一个带有扭矩分布图的滚筒系带模式图的例子。

图3 系带布置示意图

图4 滚筒系带软件分析模式图

2 程序设计简介

采煤机滚筒辅助设计及载荷计算Visual Basic 软件实现从Excel 表格中录入基本参数，由Matlab 进行计算，并将结果返回Excel 表格并生成Fig 图像及txt文本的过程，其主要结构如图5 所示。

图5 程序结构框图

3 结果与分析

3.1 线条图形分析

刀具的线条图案表示刀具的倾斜角度和倾斜角度。图6 说明了采煤机滚筒上的外表面环形工具倾斜和倾斜的角度（在横向移动切割煤之前，先纵向移动到面）。

图6 线条图形分析图

刀具应设置在特定的角度，以保护最外面刀具的套管和方块。面环刀具应设置在特定的角度，以确保刀具的后侧得到适当的磨损保护。此图案使用与刀具相关联的倾斜角度、Y 值和间距值来跟踪刀具在面环上的折线图。外表面环刀具以一定角度倾斜，从而使刀具外部端部突出。

3.2 截割形态图形

截割形态图形是用一种简单的方法来评估任何刀具在滚筒上完成的工作。它通过确定单个刀具的利用率，提供关于滚筒利用率和切割效率的信息。刀具所做的功是用滚筒速度和运输速度值来计算的[5]。将单个刀具截割放在一起，可以得到整个滚筒的截割模式。相邻刀具所覆盖的相对面积决定了一个工具是否执行不成比例的大量工作，反之亦然。

如果刀具之间的间距太大，则表明煤炭没有被完全切割，还有损坏刀具组件的风险。在最佳的线间距下，相邻的刀具为组件的非切削部分提供了防磨损保护[6]。但是，当刀具之间的间距较大时，底座和套筒会暴露出来，可能会磨损得更快。相反，如果刀具放得太近，刀具所占的面积就很小。这意味着该刀具没有发挥出它的潜力。此外，在此过程中会产生更多的灰尘并浪费切割能量。截割形态也用于检查滚筒速度和运输速度值是否合适。如果保持较高的滚筒速度和运输速度，它就会研磨材料，产生灰尘。此外，刀具过早磨损会浪费大量切削能量，降低了加工效率。该图也可用于检查滚筒上的侧向载荷。当刀具的一侧相对于另一侧施加过大的载荷时，刀具的磨损不均匀，导致切割动作效率低下。当一侧比另一侧做更多的工作时，切割动作将会不平稳，因为滚筒经历推入或拉出切割。这被称为侧向加载，对滚筒运行有害。在截割形态图形中，与刀具的另一侧相比，刀具的一侧暴露得更多，这表明滚筒正在承受侧向载荷。

图7 显示了刀具截割形态图形的示例。各个刀具的可视区域几乎相同。这表明输入参数如刀具间距、滚筒速度和前进速度已被正确设置，以实现最佳切割效率。可以通过界面显示出的不同图像颜色反应出每个刀具的扭矩大小数值。

图7 刀具截割形态图形的示例图

相反，如果单个刀具的可见区域不相等，这意味着一些输入参数没有被正确设置，需要进行调整。图8 显示了当刀具脱离滚筒或因磨损损坏而停止执行时的断裂模式图。例如刀具编号10 附近的未硬化部分暴露，这种暴露会对其他刀具、底座和套管造成损坏。

图8 编号10 丢失截割形态图形

4 结语

该软件的应用为采煤机滚筒性能的设计和评价提供了一种经济有效的手段。可以计算滚筒的装载和切割特性，推荐系带排布模式，并生成刀头布置模式。软件生成的图表在设计过程中用于观察。生成扭矩图是为了估计力的变化值，这是切削刀具上振动强度的指标。该应用程序通过围绕滚筒圆周绘制扭矩图，使扭矩图更加直观。更换磨损刀具非常必要，以防止过度振动和损坏相邻刀具。但是必须注意的是，滚筒设计应用程序只能作为滚筒设计的辅助工具。滚筒设计的知识和经验是机械设计成功的先决条件。